Дизельний двигун з турбонаддувом

Історія створення дизельних двигунів з турбонаддувом

Турбокомпресори застосовувалися для підвищення потужності двигунів внутрішнього згоряння ще на етапі розвитку цього виду технологій. Запатентований американцем Альфредом Бюхі в 1911 році турбокомпресор на зорі свого розвитку відіграв значну роль у військовій авіації – турбовані бензинові двигуни ставилися на винищувачі і бомбардувальники для підвищення їх висотності. Своє застосування в автомобільному дизелестироении технологія знайшла відносно недавно. Першим серійним автомобілем з турбованим дизелем був з'явився в 1978 р. Mercedes-Benz 300 SD, а в 1981 р. за ним пішов VW Turbodiesel.

Пристрій і принцип роботи дизельного двигуна з турбонаддувом

Принцип роботи турбірованного дизельного двигуна заснований на використанні енергії вихлопних газів. Покинувши циліндр, відпрацьовані гази потрапляють на крильчатку турбіни, обертаючи її і закріплену з нею на одному валу турбіни компресора, вбудованого в систему подачі повітря в циліндри.

Таким чином, на відміну від атмосферних дизелів, в турбокомпресорних агрегатах повітря в циліндри подається примусово під більш високим тиском. У результаті обсяг повітря, що потрапляє в циліндр за один цикл, зростає. У поєднанні зі збільшенням обсягу палива, що згорає (пропорції паливно-повітряної суміші залишаються незмінними) це дає приріст потужності до 25%.

Для ще більшого підвищення обсягу надходить в циліндри повітря додатково застосовують інтеркулер – спеціальний пристрій, що охолоджує атмосферне повітря перед нагнітанням в двигун. Зі шкільного курсу фізики відомо, що холодне повітря займає менше місця, ніж теплий. Таким чином, при охолодженні можна «запхати» в циліндр більше повітря за цикл.

В результаті у турбодизеля менше питома ефективна витрата палива (у грамах на кіловат-годину) і вище об'ємна потужність (кількість кінських сил на літр об'єму двигуна). Все це забезпечує можливість істотно подрастить сумарну потужність мотора без значного збільшення його габаритів та кількості оборотів.

Плюси і мінуси дизельного двигуна з турбонаддувом

Зворотний бік підвищення потужності мотора при збереженні загальних характеристик, тобто форсування, – більш інтенсивний знос вузлів, як наслідок, зниження ресурсу силової установки. Крім того, турбіни вимагають застосування спеціальних сортів моторних масел і суворого дотримання рекомендованих виробником термінів обслуговування. Ще більш вимогливий до уваги власника повітряний фільтр. Також в роботі двигунів з турбінами низького тиску може бути присутнім ефект «турбоями», що виражається у помітному «просідання» на низьких і середніх обертах двигуна.

Турбовані мотори менш економічні, ніж атмосферні дизелі, споживаючи на 20 – 50% більше палива при тому ж обсязі. Ще один явний недолік системи турбонаддува – вона дуже чутлива до зносу поршневої групи. Зростання тиску картерних газів відчутно знижує ресурс турбіни. При тривалій роботі в таких умовах настає «масляне голодування» і поломки турбокомпресора. Причому пошкодження цього агрегату цілком може призвести до виходу з ладу всього двигуна, а турбовані дизелі ще менш ремонтопрігодни, ніж їх атмосферні брати.

Та й взагалі, наявність технічно складного турбокомпресора, що потребує додаткових пристроях стабілізації тиску, аварійного його скидання і так далі робить силову установку автомобіля більш значущою, збільшуючи число деталей, а отже, знижуючи загальну надійність. До того ж, ресурс самого турбокомпресора значно менше, ніж аналогічний показник двигуна в цілому.

Сучасні технології удосконалення дизельних двигунів

Значної популярності сьогодні набула система підвищення ефективності і гнучкості режимів дизеля під назвою «Common-Rail». Якщо в традиційному дизельному двигуні кожна секція насоса високого тиску подає паливо в окремий паливопровід, замкнутий на одну форсунку. Навіть незважаючи на неабияку товщину стінок паливопроводів при подачі в них рідини під тиском в 1500-2000 атмосфер вони незначно, але «роздуваються». В результаті потрапляє в циліндр порція палива відрізняється від розрахункової. «Доважок», згораючи, збільшує витрату пального, підвищує димність і знижує повноту згоряння паливно-повітряної суміші.

Вдале інженерне рішення цієї проблеми розробили одночасно відразу кілька автовиробників. У новій системі паливний насос високого тиску подає паливо в загальний трубопровід — паливну рампу, яка, крім іншого, грає роль ресивера, тобто стабілізатора тиску в контурі. В рампі весь час присутній постійний обсяг палива, що знаходиться не під пульсуючим тиском, а під постійним.

До того ж, розвиток інтелектуальних технологій дозволило оснастити форсунки електронними системами відкриття (в традиційних дизелях регулювання циклів уприскування відбувається гидромеханическим способом при підвищенні тиску в трубопроводі). Електронний блок, що управляє роботою форсунок, враховує інформацію про положення педалі акселератора, тиску в рампі, температурному режимі двигуна, його навантаження і т. д. На основі цих даних розраховується розмір порції палива і момент його подачі.

Ще одне нововведення, яке з'явилося завдяки розвитку автомобільної електроніки – двоетапна подача палива в камеру згоряння. Спочатку впорскується «розгінна» (близько міліграма) порція. При згорянні вона додатково до ефекту стиснення підвищує температуру в камері, і основна доза, впорскується слідом, згоряє більш плавно, також плавно нарощуючи тиск в циліндрі. В результаті двигун працює м'якше і менш шумно, а витрата палива скорочується приблизно на 20% при одночасному зростанні крутного моменту на малих обертах на 25%. Що важливо - зменшується вміст у вихлопі сажі.

Серед нових розробок, покликаних поліпшити екологічні характеристики дизелів одночасно з оптимізацією їх економічності, найбільш перспективною вважається система BlueTec, розроблена фахівцями концерну Daimler AG. Основна її складова – інноваційна методика каталітичної нейтралізації вихлопних газів.

Каталітичні нейтралізатори сучасних автомобілів працюють за рахунок керамічних або металевих «сот», покритих шаром хімічно активних речовин — каталізаторів. Каталізатори окислюють або відновлюють токсичні сполуки CO, CH і NOx до вуглекислого газу, простого азоту і води.

Однак особливості дизельного палива, а також процесів утворення і згоряння паливно-повітряної суміші в дизелі такі, що вихлоп містить не тільки шкідливі хімічні компоненти, але велика кількість сажі. Причому якщо почати зменшувати частку сажі зростає вміст NOx, і навпаки. Таким чином, для комплексного очищення дизельного вихлопу потрібна багатокомпонентна хіміко-механічна система, що ускладнює конструкцію автомобіля і, як наслідок, знижує рентабельність виробництва.

Технологія BlueTec побудована на поєднанні традиційних і нових рішень. Спочатку відпрацьовані гази проходять наявний на більшості дизельних автомашин противосажевый фільтр і каталізатор, «истребляющий» сполуки вуглецю. Далі у випускний тракт впорскується активний реагент AdВlue на основі сечовини (розчину аміаку у воді). Отримана суміш потрапляє в спеціальний нейтралізатор вибіркової дії (SCR), в якому аміак з AdBlue під впливом каталізу при температурі 250-300°С вступає в хімічну реакцію з оксидами азоту, «розбираючи» їх на азот і воду. Тут же «допалюються» інші шкідливі компоненти.

При очевидних плюсах BlueTec має не менш очевидні мінуси. Зберігання запасу компонента AdВlue вимагає окремій ємності. Сама система ускладнюється за рахунок присутності додаткових вузлів і магістралей. До того ж, система ще більш вибаглива до якості палива і може працювати тільки на солярці з мінімальним вмістом сірки.

Ще одна дуже актуальна для Росії проблема - розчин AdВlue замерзає при мінус 11,5 градусів. Тому інженери BlueTec зараз активно працюють над вдосконаленням систем без використання сечовини. Сьогодні проходять випробування і доопрацювання комплекси з противосажевого фільтра, платинового каталітичного нейтралізатора і двох SCR-каталізаторів, «заряджених» виключно на боротьбу з оксидами азоту. В даний час система дозволяє забезпечити вміст NOx у вихлопі дизелів приблизно на рівні Євро-5.

Recommended to read
Recommended to read
Recommended to read
Recommended to read